第35卷第1期电子与信息学报Vol.35 No.1 2013年1月 Journal of Electronics & Information Technology Jan. 2013面向物联网的无线传感器网络综述钱志鸿*①王义君②①(吉林大学通信工程学院长春 130012)②(长春理工大学电子信息工程学院长春 130022)摘要：在分析无线传感器网络国内外研究现状及技术成熟度的基础上，从技术层面阐述了无线传感器网络与物联网之间的相互关系，总结了无线传感器网络系统执行所需要的信息采集系统设计、网络服务支持和网络通信协议设计等关键技术，说明了无线传感器网络未来发展所面临的挑战，并提出了面向物联网的无线传感器网络发展新思路。
关键词：无线传感器网络；物联网；信息采集系统；网络服务支持；网络通信协议中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-5896(2013)01-0215-13 DOI: 10.3724/SP.J.1146.2012.00876Internet of Things-oriented Wireless Sensor Networks ReviewQian Zhi-hong① Wang Yi-jun②①(College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China)②(School of Electronic & Information Engineering, Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022, China)Abstract: Based on analyzing overseas and domestic research status and technology readiness levels of wireless sensor networks (WSNs), the correlation between WSNs and Internet of Things (IoT) is described from a technical point. Key technologies required for WSNs implement, which include information acquisition system design, network services support and network communication protocol, are discussed in this paper. Development conceptions of future WSNs are presented based on summarizing challenges that WSNs must be solved.Key words: Wireless Sensor Networks (WSNs); Internet of Things (IoT); Information acquisition system; Network services support; Network communication protocol1 引言无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统，是物联网底层网络的重要技术形式[1]。
随着无线通信、传感器技术、嵌入式应用和微电子技术的日趋成熟，WSNs可以在任何时间、任何地点、任何环境条件下获取人们所需信息，为物联网(Internet of Things, IoT)的发展奠定基础。
由于WSNs具有自组织、部署迅捷、高容错性和强隐蔽性等技术优势，因此非常适用于战场目标定位[2]、生理数据收集[3]、智能交通系统[4]和海洋探测[5]等众多领域。
随着面向物联网的WSNs技术再一次拓展和创新，国内外学术及工业界人士对于WSNs的研究从局部WSNs感知逐步扩展到广域物物互联阶段。
关2012-07-09收到，2012-10-22改回国家自然科学基金(61071073)和教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20090061110043)资助课题*通信作者：钱志鸿 dr.qzh@ 于WSNs的组织和会议方面，ACM于2005年创刊的刊物(ACM Transaction on Sensor Network)，用来刊登WSNs技术的最新研究成果。
每年举行一次的关于WSNs方面的学术会议EWSN(European Conference on Wireless Sensor Networks)，在欧洲被公认为是WSNs方向的顶级学术交流平台。
2006年10月，中国计算机学会传感器网络专委会宣布成立，该委员会是一个非商业性的、产学研结合的学术机构；是全国范围内学术沟通、合作交流以及吸引企业参与并加速传感器网络产业化进程的良好平台。
关于WSNs的科学研究方面，加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles)的ASCENT(Actuated Sensing & Coordinated Embedded Networked Technologies)实验室，加州大学伯克利分校的CITRIS(Center for Information Technology Research in the Interest of Society)，麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology), IBM, Crossbow Technology公司等众多美国高校及知名企业对WSNs技术提出了有效的216 电子与信息学报第35卷解决方案，同时，美国政府大力推进基于WSNs的家庭智能能源系统。
到2020年，60%的美国家庭有望安装智能能源管理系统，预计能源开销最高可减低20%；2011年，日本政府重新启动了大地震后一度搁置的政府ICT(Information and Communication Technology)战略，该战略是对2009年提出的“i-Japan”战略的再一次升级，致力于大数据应用所需的云计算，WSNs，社会化媒体等智能技术开发，根据日本野村综合研究所的分析显示，日本大数据应用带来的经济效益将超过2500亿美元。
与此同时，西班牙、法国、德国、新加坡等国家也在加紧部署与WSNs相关的发展战略，逐步推进WSNs网络基础设施的建设。
目前，我国的WSNs技术及产业链仍处于发展初期，中国科学院软件研究所无线自组织网络研究小组、中国科学院计算技术研究所传感器网络实验室、无锡物联网产业研究院、上海市计算技术研究所、清华大学仪器科学与技术研究所在WSNs理论及应用方面做了深入的研究和探索，“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)”也将“传感器网络及智能信息处理”作为“重点领域及其优先主题”给予政策上的支持，对于WSNs技术构架和产业模式的形成都具有巨大的推动作用[6]。
本文在系统研究和调研的基础上，从技术层面阐述了WSNs与物联网的相互关系，探讨了WSNs系统执行所需要的关键支撑技术，总结了WSNs所面临的挑战，提出了面向物联网的WSNs发展新思路。
2 WSNs与IoT文献[7]提出的物联网系统架构如图1所示，包括底层网络分布、汇聚网关接入、互联网络融合以及终端用户应用4个部分。
在图1中，大量的底层网络系统选择性地分布于物理空间当中，根据各自特点通过相应方式构成网络分布。
底层网络通过RFID(Radio Frequency IDentification), WSNs，无线局域网等网络技术采集物物交换信息并传输到智能汇聚网关[8]，通过智能汇聚网关接入到网络融合体系，最后利用包括广播电视网、互联网、电信网等网络途径使信息到达终端用户应用系统。
与此同时，终端用户可以通过主观行为影响底层网络面向不同应用，从而实现人与物、物与物、物与人之间的物联信息交互[9]。
如图2所示，通过定义如下3个抽象概念，可以进一步说明包括WSNs在内的底层网络在物联网中的作用。
图1 物联网系统架构图2 对象关系示意图(1)对象：客观世界中任何一个事物都可以看成一个对象，数以万计的对象证明了客观世界的存在。
每个对象都具有两个特点：属性和行为，属性描述了对象的静态特征，行为描述了对象的动态特征。
任何一个对象往往是由一组属性和一组行为构成的。
(2)消息：客观世界向对象发出的一个信息。
消息的存在说明对象可以对客观世界的外部刺激作出反应。
各个对象间可以通过消息进行信息的传递和交流。
(3)封装：将有关的属性和行为集成在一个对象当中，形成一个基本单位。
物联网的重要特点之一就是使物体与物体之间实现信息交换，每个物体都是一个对象。
因此负责感知和记录信息的物联网底层网络必须能够反映每个对象的特点。
首先，RFID技术[10]利用无线射频信号识别目标对象并读取该对象的相关信息，这些信息反映了对象的自身特点，描述了对象的静态特征。
其次，除了标识物体的静态特征，对于物联网中的每个对象来说，探测它们的物理状态的改变能力，记录它们在环境中动态特征都是需要考虑的。
就这方面而言，WSNs在缩小物理和虚拟世界之间的差距方面扮演了重要角色，它描述了物体的动态特征。
WSNs第1期钱志鸿等：面向物联网的无线传感器网络综述217网络体系结构如图3所示。
数量巨大的传感器节点以随机散播或者人工放置的方式部署在监测区域中，通过自组织方式构建网络[11]。
由传感器节点监测到的区域内数据经过网络内节点的多跳路由传输最终到达汇聚节点，数据有可能在传输过程中被多个节点执行融合和压缩，最后通过卫星、互联网或者无线接入服务器达到终端的管理节点。
用户可以通过管理节点对WSNs进行配置管理、任务发布以及安全控制等反馈式操作[12,13]。
图3 WSNs体系结构3 WSNs关键技术WSNs作为当今信息科学与计算机网络领域的研究热点，其关键技术具有跨学科交叉、多技术融合等特点，每项关键技术都需要亟待突破[14,15]。
WSNs的关键技术主要体现在3个方面，即信息采集系统设计、网络服务支持和网络通信协议设计，如表1所示。
表1 WSNs关键技术信息采集系统设计网络服务支持网络通信协议设计WSNs网络模型设计系统平台和操作系统节点设计标准化数据存储方式测试床设计诊断和调试支持时间同步机制网络节点定位网络拓扑覆盖数据融合与压缩网络安全机制网络层设计数据链路层设计传输层设计物理层设计跨层优化设计3.1 信息采集系统设计对于一个在WSNs中工作的传感器节点来说，有一些重要的系统设计需要利用有效的WSNs网络模型、系统平台和操作系统支持等一系列关键技术完成。